5G／6G通信帯の電波を透過する透明な遮熱窓を作製――アルミ製の遮熱メタマテリアルを開発東北大学

2023-10-17
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東北大学は2023年10月16日、同大学大学院工学研究科の研究グループが、アルミ製の遮熱メタマテリアルを開発し、5G／6G通信帯の電波を透過する透明な遮熱窓を作製したと発表した。

気温が高い環境下では、太陽光のエネルギーが窓を通過することで室内や車内の温度が上昇する。太陽光は、波長800～1400nmの近赤外領域のエネルギーが大きい。このため、近赤外領域の波長を選択的に反射する遮熱窓を用いることで、室内／車内温度の上昇を防ぐことが可能となる。

ただし、既存の金属薄膜や透明導電膜を用いた遮熱窓は、近赤外線に対する反射率が低かったり、5G／6G通信の電波も反射して遮断してしまったりする点が課題となっていた。

また、金属微粒子を用いた遮熱窓は近赤外線を選択的に反射できるものの、最大反射率が50％程度に留まっており、反射率特性の向上が求められていた。

今回の研究では、ナノ周期構造で構成したアルミ製の遮熱メタマテリアルを開発した。下の顕微鏡写真のように、石英ガラス基板上にアルミで形成した十字パターンのメタマテリアル単位構造が、周期460nmで二次元周期状に形成されている。3.3×4.0cm内にメタマテリアル構造を均一に形成した。

（左）遮熱メタマテリアルの走査電子顕微鏡写真
（右）単位構造の原子間力顕微鏡写真

反射率は、近赤外波長（約1.1μm、周波数約273THz）において80％超となった。最大反射率は86.1％となっている。同発表によると、調査文献で報告されている遮熱材料の中で最高値に達したという。

また、テラヘルツ時間領域分光法を用いてテラヘルツ波領域における透過率特性を測定したところ、6G通信での活用が見込まれている0.2～0.3THz付近の周波数において、80％程度の透過率が得られた。有限要素法に基づいた電磁界の数値計算結果とも概ね一致している。なお、5G通信に用いられる28GHz帯の周波数でも、透過率は80％程度となった。

（左）遮熱メタマテリアルの可視波長～近赤外波長領域における反射率特性
（右）6G通信帯における透過率特性

可視波長範囲での透過率は、最大77.2％となった。60度の傾斜を設けた場合の透過率は、50％以上となっている。遮熱メタマテリアルの背後の風景を広い傾斜角度範囲において撮影することができるため、透明遮熱窓としての使用に適することが明らかになった。

（a）遮熱メタマテリアルの可視波長領域における透過率特性
（b）遮熱メタマテリアルを傾けずに、遮熱メタマテリアル越しに撮影した風景写真
（c）傾斜角度60度に遮熱メタマテリアルを傾けて、遮熱メタマテリアル越しに撮影した風景写真

今回開発した遮熱メタマテリアルは、半導体微細加工技術を用いて作製しており、メタマテリアルの形状やサイズの調整が可能。ニーズに合わせて反射ピーク波長をチューニングできる。

同研究グループは、将来的にナノインプリントなどの技術を用いることで、安価で大面積の遮熱メタマテリアルが実現できると想定している。建材や自動車用遮熱窓への応用が期待される。

5G／6G通信帯の電波を透過する透明な遮熱窓を作製――アルミ製の遮熱メタマテリアルを開発　東北大学